Obiettivi Formativi

L’insegnamento intende fornire allo studente i principi teorici di base dell’impiantistica chimica, dalla fluidodinamica al trasferimento di calore e di materia. Durante il corso delle lezioni lo studente si troverà ad affrontare esercizi che lo aiuteranno nell’apprendimento dei concetti teorici. Alla fine del corso lo studente sarà in grado di: calcolare le perdite di carico distribuite lungo una tubazione e le perdite di carico concentrate (gomiti, valvole, ecc.); scegliere la tipologia di apparecchiatura dinamica più adatta per trasferire energia ad un fluido all’interno di un condotto; effettuare il dimensionamento di massima di scambiatori di calore a tubi concentrici e a fascio tubiero; calcolare la potenza dissipata dall’agitatore all’interno di reattori chimici; dimensionare il sistema di raffreddamento (serpentini, camicie, ecc.) nei reattori chimici. Inoltre verranno trattate le più importanti operazioni unitarie, con maggiore enfasi alla distillazione e all’assorbimento.

Learning Goals

The lessons aim at providing students with basic theoretical principles of Chemical Plants, from fluid dynamics to heat and mass transfer. During the course of the lessons the student will face some exercises as a help for learning the theoretical concepts. At the end of the course the student will be able to: calculate the pressure drop along a pipe, included the friction losses in pipe fittings (elbows, valves, etc..); choose the dynamic equipment best suited for transferring energy to a fluid within a duct; perform the preliminary design of a tubular heat exchanger; perform the preliminary design of a shell and tube heat exchanger; calculate the power dissipated by stirring in chemical reactors; perform the preliminary design of the cooling system (coils, jackets, etc.) in chemical reactors. Moreover, the most important unit operations will be discussed, with greater emphasis on distillation and absorption.

Metodi didattici

Il corso è organizzato in 48 ore di lezioni frontali (6 CFU).

Teaching Methods

The course is organized in 48 hours of lectures (6 credits).

Prerequisiti

Conoscenza dei principi basilari di chimica-fisica.

Prerequisites

Knowledge of the basic principles of physical chemistry.

Verifiche dell'apprendimento

Durante il corso delle lezioni sono previste delle prove in itinere per verificare l’apprendimento dello studente. Ai fini della valutazione è previsto un esame finale che consiste in un colloquio orale. La comprensione dei principi base e delle equazioni fondamentali che regolano il trasferimento di quantità di moto, calore e materia è considerata requisito minimo per superare l’esame di verifica.

Assessment

During the course of the lessons periodical tests will be performed to verify the learning from the students. For the purposes of the evaluation, there will be a final examination consisting of an oral test. The understanding of the basic principles and fundamental equations governing the momentum, heat and mass transfer, is considered as the minimum requirement to pass the final examination.

Programma del Corso

Introduzione al corso; fluidodinamica; proprietà dei liquidi (densità, comprimibilità e viscosità); legge di Newton; definizione di portata, moto stazionario, moto uniforme, equazione della statica, equazione della continuità; equazione di Bernoulli; fluidi non newtoniani (pseudo-plastici, dilatanti, Bingham, tixotropici, reopectici, viscoelastici), equazione di Fanning, equazione di Poiseuille, analisi dimensionale, teorema di Buckingham, perdite di carico distribuite e concentrate, calcolo delle perdite di carico, fluidi comprimibili. Apparecchiature dinamiche per il trasporto dei fluidi, apparecchiature statiche, pompe, classificazione delle pompe, pompe centrifughe, NPSH, curve caratteristiche pompe, regolazione di una pompa centrifuga. Fluidodinamica nei reattori chimici (Numero di potenza, Numero di Reynolds, Numero di Froude). Scambio termico (conduzione, convezione, irraggiamento), coefficienti individuali e globali di trasferimento di calore, differenza di temperatura media logaritmica, conduzione attraverso una superficie piana, resistenze termiche in serie, conduzione attraverso un tubo a parete spessa, conduzione attraverso un mantello sferico, convezione, naturale e forzata, applicazione dell’analisi dimensionale alla convezione (numeri adimensionali di Nusselt, Reynolds, Prandtl, Grashof), convezione forzata nei tubi (fattore di Colburn), scambio di calore attraverso sezioni non circolari, diametro equivalente, scambiatori di calore a fascio tubiero, fattore di correzione F, dimensionamento di massima di uno scambiatore di calore a fascio tubiero, irraggiamento. Scambio termico nei reattori chimici, reazioni runaway, cenni sulla calorimetria, dispositivi di sicurezza in reattori chimici. Trasferimento di materia, legge di Fick, diffusione in miscele gassose binarie, contro diffusione equimolecolare, trasferimento di massa attraverso un gas stazionario, teoria dei due film, legge di Henry, numero di Sherwood, numero di Schmidt. Operazioni unitarie, classificazione delle operazioni unitarie, apparecchiature a contatto continuo, apparecchiature a stadi di equilibrio, assorbimento, dimensionamento di una torre a riempimento, distillazione, dimensionamento di una colonna a piatti.

Course Syllabus

Introduction to the course, fluid dynamics, liquid properties (density, compressibility and viscosity), Newton's law, definition of flow, steady state motion, uniform motion, statics equation, continuity equation, Bernoulli’s equation, non-Newtonian fluids (pseudo-plastic, dilatant, Bingham, thixotropic, rheopectic, viscoelastic), Fanning equation, Poiseuille equation, dimensional analysis, Buckingham's theorem, distributed and concentrated pressure drop, calculation of the pressure drop, compressible fluids. Fluid transport dynamic equipment, static equipment, pumps, classification of pumps, centrifugal pumps, NPSH, pump characteristic curves, adjustment in centrifugal pumps. Fluid dynamics in chemical reactors (Power number, Reynolds number, Froude number). Heat transfer (conduction, convection, radiation), individual and overall heat transfer coefficients, logarithmic mean temperature difference, conduction through a plane surface, thermal resistances in series, conduction through a thick wall tube, conduction through a spherical shell, convection, natural and forced convection, dimensional analysis in convection (dimensionless numbers of Nusselt, Reynolds, Prandtl, Grashof), forced convection in tubes (Colburn factor), heat transfer through non-circular sections, equivalent diameter, shell and tube heat exchangers, the factor F, preliminary design of a shell and tube heat exchanger, radiation. Heat transfer in chemical reactors, runaway reactions, calorimetry, safety devices in chemical reactors. Mass transfer, Fick’s law, diffusion in binary gas mixtures, equimolecular counter diffusion, mass transfer through a steady state gas, two film theory, Henry’s law, Sherwood number, Schmidt number. Unit operations, classification of the unit operations, continuous contact equipment, steady state equipment, absorption, preliminary design of a packed column, distillation, preliminary design of plate column.